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电子 羹大学硕士论文 基于d o c s i s 的h f c 宽带网上行信道关键技术研究 摘要 当今社会已经进入了信息社会 对信息的获取和传送方式提出了极高的 要求 传统的电话接入网方式已经很难再继续满足目益增长的带宽需求了 h f c 宽带接入网正在成为一大主流 它具有覆盖面广和带宽资源丰富的特 点 d o c s i s 协议在h f c 网络中应用广泛 佼其已成为事实的标准 由于 h f c 宽带接入网的结构特点 上行信道是多点对单点的通信 并且采用了时 分复用和带宽请求 授权机制 所以存在一系列的技术难点 上行信道长期以 来一直备受重视 是h f c 宽带接入网络技术中的研究热点 本文对基于d o c s i s 的h f c 宽带接入网上行信道的几个关键技术做了详 细的研究 主要分成三个部分 1 分析了上行信道存在的主要问题 提出了对h f c 网络的改进 从 而使c m t s 具有了检测冲突的能力 设计了基于冲突检测的竞争解决算法 可以根据冲突的剧烈程度 调整回退窗口的大小 有效地减少冲突 以适应 用户数目的不断变化 2 研究了冲突解决和接入延时之问的矛盾问题 设计了基于优先级 的冲突解决算法 成功解决了这一矛盾 本算法使高优先级用户获得了低延 迟的接入 按照优先级的高低 既保障了高优先级用户的冲突解决和首次接 入 又尽可能地服务于低优先级用户 3 分析了竞争时隙和数据时隙之间存在的互动关系 根据这个关系 设计了动态的时隙分配算法 验证了该关系在网络运作中的实际作用 关键词 h f cd o c s i s 冲突解决时隙分配 电子科技大学硕士论文 基4 二d o c s i s 带 h f 宽带网上彳j 信道关键技术研究 a b s t r a c t n o w a d a y s t h es o c i e t yh a sb e c o m e i n t b r m a t i o ns o c i e t y p e o p l e d e m a n d m u c hm o r ee f f e c t i v em a n n e r st o g a i na n dt r a n s m i ti n f o r m a t i o n t h et 1a d i t i o n a l p s t na c c e s sn e t w o r kc a n n o ts a r i s f yt h e u r g e n tn e e da n ym o r e t h u s h f c b r o a d b a n da c c e s sn e t w o r ki sn o wc o m i n go nt h e s t a g e w i t ht h e s p e c i a l t y w i d e l yc o v e r i n g a n da b u n d a n c eb a n d w i d t h t i l ed o c s i s s p e c i f i c a t i o n i s e s t a b l i s h e da st h ep r i m a r yh f cn e t w o r kd a t ac o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d b e c a u s e o ft h es t r u c t u r ec h a r a c t e ro fh f c d o c s i sm a k e su s eo fu p s t r e a mc h a n n e li n t d m am o d ea n da l l o c a t ei tb y r e q u e s t g r a n t m e c h a n i s m s ot h e r ea r eas e r i e s o ft e c h n i c a ld i f f i c u l t y t h et e c h n o l o g yo fu p s t r e a mc h a n n e la c c e s si s ak e y t e c h n o l o g y a n d i ti sa l w a y st h ef o c u so ft h er e s e a r c h t h e k e yt e c h n o l o g i e so fu p s t r e a n ac h a n n e lo f t h eh f ca r eu n d e rr e s e a r c h b a s e o nd o c s l s t h i s p a p e ri sc o n c e n t r a t e do n t h ef o l l o w i n gt h r e ea s p e c t s 1 t h ep r i m a r yp r o b l e m so fu p s t r e a mc h a n n e la r ea n a l y z e d a n dt h em e n do f h f ci s p r e s e n t i tm a k e sc m t st ob ep r o v i d e dw i t ht h ea b i l i t y t od e t e c tt h e c o l l i s i o n t h ec o l l i s i o nr e s o l u t i o n a l g o r i t h m b a s e do n d e t e c t i n g c o l l i s i o ni s d e s i g n e d i t c a na d j u s tt h e b a c k o f fw i n d o w s a c c o r d i n gt ot h ed e g r e eo f c o l l i s i o n t h u s i tc a nd e c r e a s et h ec o l l i s i o ne f f e c t i v e l yt oa d a p tt h ec h a n g eo f u s e t 2 t h ec o n t r a d i c t i o no f c o l l i s i o nr e s o l u t i o na n da c c e s sd e l a yi sr e s e a r c h e d t h e c o l l i s i o nr e s o l u t i o n a l g o r i t h m b a s e do n p r i o r i t y i s d e s i g n e d t os o l v et h e c o n t r a d i c t i o n i tm a k e st h e h i g hp r i o r i t y u s e rt oh a v el o w e ra c c e s sd e l a y a c c o r d i n g t ot h ep r i o r i t y t h ec o l l i s i o nr e s o l u t i o na n dt h ef i s t t i m ea c c e s so ft h e h i g hp r i o r i t yu s e ra r eg u a r a n t e e d a n dt h el o wp r i o r i t yu s e ri s s e r v e db yi t sb e s t e f f o r t 3 t h ec o n n e c t i o no fc o n t e n t i o ns l o t a n dd a t as l o ti sa n a l y z e d a c c o r d i n gt o t h ec o n n e c t i o n t h ed y n a m i ca l l o c a t i o no fs l o t si sd e s i g n e d i tv a l i d a t e st h ee f f e c t o ft h ec o n n e c t i o ni nt h en e t w o r k s k e y w o r d s h f c d o c s i s c o l l i s i o nr e s o l u t i o n s l o ta l l o c a t i o n i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果 据我所知 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果 也不包含为获得电子科技大学或其它教育机 构的学位或证书而使用过的资料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 签名 墟日期 z 础年 月叫日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留 使用学位论文的规定 有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 允许论文被查阅和借 阅 本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行查阅 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编学位论文 保密的学位论文在解密后应遵守此规定 签名 量逸导师签 日期 川年 月 屯子奉 技大学硕士论文基于d o c s i s 的i t f c 宽带网上行信道关键技术研究 c d r c m c o i l s a n tb i tr a t e c a b l em o d e m 缩略语 恒定数据业务 电缆调制解调器 c m t sc a n em o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m 电缆调制解调器终端系统 c s m ac a r t i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s s 载波监听多路访问 c s m a c dc a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n 载波侦听多路访问 冲突检测 d o c s i sd a t ao v e rc a b l es y s t e mi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n h f c m a c h y b r i df i b e rc o a x i a l m e d i aa c e c s sc o n t r o m c n s m u l t i m e d i ac a l b en e t w o r k ss y s t e m p s t n v o d v o l p p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n en e t w o r k v i d e oo nd e m a n d v o i c e0 v e ri p i l l 电缆数据业务接口规范 光纤同轴混合网 媒体接入控制 多媒体电缆网络系统 公共电话交换网 视频点播 语音l p 电子科技大学硕士论文 基于d o c s l s 的h f c 宽带网上行信道关键技术研究 1 1 概述 第1 章引言 当今社会已经进入了信息社会 信息对于人们的生活和工作起到了至关重 要的作用 大量信息极大地改变了工作和生活的方式 同时 人们对信息的依 赖和需求又不断增加 因此 这就对信息的获取和传送方式提出了极高的要求 近十多年来 网络的高速发展正是这一需求的最直接体现 正如半导体行业的 摩尔定律 即微处理器的速度每1 8 个月增长一倍 揭示了芯片的发展 网络上 的业务量也在以极快的速度成倍增长 据不完全统计 网络业务量每6 个月就 会增加一倍 近年来 各种多媒体服务出现并迅速增长 如视频会议 视频点 播 v o d v i d e oo nd e m a n d v o l p v o i c e o v e ri p 网络游戏等等 增长 的网络业务量对网络带宽有了更高的需求 这就对传统的接入网络提出了挑战 传统的接入网络使用的是电话网络 即p s t n p u b l i cs w i t c h e dt e l e p h o n e n e t w o r k 通过不同的调制方法 可以得到不同的带宽 过去使用i s d n 其 带宽只能到达1 2 8 k b p s 即便是现在广泛应用的a d s l 其理论上行带宽也只 有2 m b p s 下行8 m b p s 传统的电话接八网方式已经很难再继续满足日益增长 的带宽需求了 因此其它的宽带接入网方式也就应运而生 其中 h f c 宽带接 入网正在成为一大主流 h f c h y b r i df i b e r c o a x i a l 即混合光纤同轴电缆 而建立在此基础上的即 是c a t v c o m m u n i t y a n t e n n at e l e v i s i o n 网络 h f c 宽带接入网有其特有的 优势 首先 带宽资源非常丰富 下行方向的带宽可达几百m h z 数据传输速 率为2 4 0 m b p s 其次洧线电视网在世界上许多国家覆盖面非常广 已经建设 完善 易于控制潜在数据业务客户的接八成本 我国有世界上最大的有线电视 网络和最多的有线电视用户 所以在我国发展h f c 宽带接入网络前景广阔 因此 研究h f c 宽带接入网有着重要的意义 现在世界上已经有多个成熟 的h f c 宽带接入网标准 我们选用了其中使用最为广泛的d o c s i s d a t a o v e r c a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n 标准 电子科技大学硕士论文 基于d o c s i s 的h f c 宽带网上行信道关键披术硼究 1 2 主要工作 本文主要醪究了基于d o c s i s 标准的h f c 宽带接入网上行信道的几个关 键技术 由于h f c 宽带接入网的结构特点一 行信道是多点对单点的通信 并 且采用了时分复用和带宽清求 授极机制 所以存在一系列的技术难点 因此 如何合理有效地安排网络运作一直是研究者的热点问题 本文的研究内容主要分成了三个部分 1 研究了上行信道的冲突解决 对h f c 网络提出了改进 进而设训了新的竞争解决算法 2 研究了 上行信 道的时隙分配和延时特性的关系 设计了新的时隙分配和冲突解决算法 3 研究了时隙间存在的互动关系 分析和设计了在这种关系下的时隙分配 1 3 本文的组织 本文的内容安排如下 第二章对h f c 宽带接入网的发展和和架构做了一个简要介绍 对现有成 熟的网络标准做了介绍 并比较了标准问的异同点 第三章分析了d o c s i s 标准的基本架构 以及物理层和m a c 层的定义 重点研究了上行信道的带宽分配和冲突解决是如何运作的 第四章分析了上行信道存在的主要问题 提出了对h f c 网络的改进 实现 了对上行信道的冲突检测 然后设计了基于冲突检测的竞争解决算法 第五章研究了冲突解决和接入延时之间的矛盾问题 设计了基于优先级的 冲突解决算法 第六章分析了竞争时隙和数据时隙之间存在的互动关系 研究了基于这种 动态过程的时隙分配 第七章总结了全文的工作 论述了以上三个研究部分之间的联系 电子科技大学硕士论文 基于d o c s i s 的h f c 宽带网上行信道关键技术研究 第2 章h f c 宽带接入网及其标准简介 2 1 基于h f c 的c a t v 宽带接入网的发展 2 1 1 c a t v 的发展 c a t v 发展比较早 最早于1 9 5 0 年在美国出现了小区共同天线 c o m m u n i t y a n t e n n at e l e v i s i o n 1 后来这种系统逐渐发展到服务商接收电视讯号 或者自 行制作节目 再配送到用户家中 此种方式能提供更丰富的频道节目 称为有 线电视 c a b l et v 或c a t v 到7 0 年代 有线电视开始在美国大中城市出现 据调查在1 9 9 6 年时 约有 8 9 6 0 万户的家庭连接有线电视网络 普及率约在6 3 以上 在美国大幅开放电信 业务的政策下 一些有线电视公司纷纷跨入电信的领域 只是目前在美国的有 线电视公司的规模和电话公司相去甚远 造成有线电视公司在新技术的研发能 力和电话公司相比起来就显得吃力了些 但是由于有线电视网络先天具有高频 宽及高普及率的特性 使得许多有线电视服务商还是积极投入于交互式多媒体 应用的研究 所以未来有线电视在美国还是颇有发展潜力的 在欧洲 荷兰 比利时 卢森堡等国有线电视网络普及率高达9 0 以上 英 国在欧洲国家中 其对有线电视网络的政策开放程度是首屈一指的 从1 9 8 3 年 起就出现了第一个双向系统的有线电视网络 之后也开放有线电视得以经营电 信业务 其自由化程度为世界之冠 也因此英国是世界上第一个使用有线电视 网络传送电话的国家 在1 9 9 5 年7 月英国有线电视网络上的电话用户己高达一百 万户 因此有线电视网络在英国发展是一片看好 中国有线电视的发展 走的是一条由局部到整体的路线 各地有线电视的 发展一般都是由最初的居民楼闭路电视 发展到小区有线电视互联 进而整个 城域 行政区辖 有线电视的互联 2 1 自1 9 9 0 年以后 中国有线电视从各自独立 的 分散的小网络 向以部 省 地市 县 为中心的部级干线 省级干线和城 域联网发展 并成为全球第一大有线电视网 到1 9 9 8 年底 全国有线电视网络 线路长度超过2 4 0 多万公里 其中光缆网超过3 0 万公里 有线电视用户数达8 0 0 0 多万 并仍以每年5 0 0 万户以上的速度增长 有线电视用户数已稳居世界第一位 有线电视成为我国家庭入户率最高的信息工具 电子科技大学硕士论文 基于d o c s i s 的h i c 宽带网上行话道关键技充研究 2 1 2 h f c 宽带接入网的发展 进入9 0 年代以后 广播电视全面数字化和因特网的迅速发展给干线电视形 成有力的挑战 同时也给有线电视的发展带来了千载难逢的机遇 在广播电视 数字化方面 除美国走在了发展的前列阱外 德国 西班牙 澳大利亚 英国 日本甚至台湾也制定出了数字化发展计划 充分挖掘其双向传输能力 真正实 现宽带高速接入 使有线电视网络在2 1 世纪的信息时代更紧密地与用户连接在 一起 针对机遇与挑战 各有线电视公司采取了一些促进技术及业务发展的措施 首先是对基础网络改造 许多国家花巨资进行光纤传输网络和现代h f c 网的改 造 使得有线电视的光节点尽量靠近家庭 例如每一个光节点仅带不n 2 0 0 个家 庭 其次是在业务开展方面 通过数字技术的引入 为用户提供上百套的数字 电视节目和新型的宽带数据业务 目前在美国 有线电视公司纷纷采用电缆调 制解调器 即c a b l e m o d e m 后文将详细讲解 实践证明 c a b l em o d e m 女g 对 于电信公司的a d s l 有更先进的优越性 所以计算机公司如微软 电信公司如 a t t 纷纷把眼光看向了有线电视 我国新建网c a t v 网络大部分为h f c 网 广电 总局要求新建h f c 网每个光结点用户在2 0 0 0 户以下 有利于数据传输和宽带接 入 目前 我国正在建更大规模的h f c 宽带接入试验网 现在 h f c 已经成为有线电视系统的主要模式 随着社会信息化的进程 有线电视网 电信网和计算机网 三网融合 在发达国家已经开始 h f c 网络 的发展进入一个全新的时期 2 2 h f c 网络架构 最初的c a t v 网络使用的是同轴电缆 但是随着技术和对网络服务的要求 的提高 同轴电缆早已不能满足需要了 于是c a t v 网络已经从单向的模拟视 频信道广播转变为i 光纤 同轴混合网 h f c 并且正在从单向发展到双向 同时能传送模拟 数字视频信道和高速数据 h f c 网络可以分成三个部分 3 头 端 h e a d e n d 传输线路 用户端 如图2 1 所示 4 皇王壁垫盔堂霹士论文 基于d o c s i s 的h f c 宽带网上行信道关键技术研究 用户端 图2 1h f c 网络架构 头端 h e a d e n d 是负责控制及维护整个有线电视网络的运作 传统有线电视 网络的头端 单纯只负责播放节目或接收卫星节目讯号 并把节目内容经传输 线路 传送到客户端 但是现今有线电视网络均被要求能传送数字的双向信号 头端要负责协调双向数据的传送顺序 因此头端的工作加重了许多 传输线路是负责传送头端及客户端两者间信号 依照其布线位置还可分为 干线 馈线等多个部分 目前h f c 网主干部分采用光纤 光节点到配线盒使用同 轴电缆 配线盒到用户端使用树枝状结构分配型同轴引入线 客户端是指使用t t f c 网的用户家中 在传统的c a t v 网中 用户使用选台器 或电视机和h f c 网连接 但在数字传送的h f c 网中 用户则是使用电缆调制解 调器 c a b l em o d e m 或机顶盒 即有线电视译码器 连接h f c 网络 2 3 i i f c 网络标准 h f c 网络是一个树型的拓扑网络 下行信道只能由头端使用来给用户端传 送数据 所以下行方向的传送相对容易 但是上行信道是共享信道 多个用户 端对一个头端 即多点对单点的传输 所以当多个站点同时进行上行传输时就 会发生冲突 造成传输错误 因此 为了能在h f c 网络上成功有效地传送数据 必须要有一个针对h f c 网络特性所设计的标准 世界上有多个组织都制定了各 自的标准 其中一些已经成为了较为通用的行业标准 下面介绍其中影响最大 e 电子科技大学硕士论文 基于d c s i s 舱h f c 宽带网上 信道关键技术硼究 的几个枉 准 2 3 1 i e e e8 0 2 4 标准 1 9 9 4 年5 月 国际电子 电机工程师协会1 4 1 i e e e 8 0 2 1 4 6 工作小组成立 这是最早的标准制定组织 该标准主要包括线电视轴缆网络的媒体控制层 m a c l a y e r m e d i a a c c e s sc o n t r o ll a y e r 和物理层 p h y s i c a l l a y e r 的制定 其主要特点是 第一次传送规则为带有优先级的先进先出 f i f o 机制 而重 传规则是n 元树算法 n a r y t r e ea l g o r i t h m 2 3 2 d o c s i s 标准 由于i e e e8 0 2 1 4 进展缓慢 美国的有线电视商于1 9 9 5 年成立多媒体有 线电视网络系统 m c n s 5 组织 1 9 9 5 年1 2 月 m c n s 组织先后发表了m c n g 的八个文件 统称为 电缆数据射频接口规范 即后来的d o c s i s l 5 1 d a t a o v e r c a b l es e r v i c ei n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n 标准 该标准获得全美百分之八十的c a b l e m o d e m 制造商的支持 使得此标准成为h f c 网络数据通讯标准的主力 在1 9 9 8 年3 月 国际电信联盟接受d o c s l s 标准 作为c a b l em o d e m 的标准 1 9 9 9 年 美国c b f c a b l eb r o a d b a n df o r u m 根据d o c s i s 标准决定各家调制解调器产 品的兼容性 并交由m c n s 所成立的c a b l e l a b s 给予认证 到目前为止 d o c s i s 已被广泛的使用在世界大部份的地区 其最新的版本为d o c s i s 2 0 2 3 3 d v b d a v i c 标准 欧洲的标准体系组织包括d v b 7 数字视频广播 d a v i c t 7 1 数字音视 频理事会 以及e c c a 欧洲有线电视运营商联盟 三个组织 d v b 和d a v i c 组织长期致力于数字视频标准的制订 d v b d a v i c 是d o c s i s 标准在欧洲的 强有力的挑战者 e u r oc a b l el a b s 欧洲有线电视实验室 在欧洲有线电视联盟 的指导下 一直支持以d v b d a v i c 的为基础的 欧洲调制解调器 1 9 9 9 年5 月欧洲有线电视实验室发布了基于d v b d a v i c 的e u r om o d e m 规范 d v b c a b l em o d e m 是欧洲经营者的首选 2 3 4 标准问的比较 上述标准体系的频带划分 带宽及信道参数等方面的规定 都存在较大差 异 因而互不兼容 北美标准是基于i p 的数据传输系统 侧重于对系统接口的 电子科技大学硕士论文 基于d o c s i s 的h f c 宽带网上行信道关键技术研究 规范 具有灵活的高速数据传输优势 欧洲标准是基于a t m 的数据传输系统 侧重于d v b 交互信道的规范 具有实时视频传输优势 它们之间的比较详见 表2 1 8 9 1 表2i d o c s i s i e e e 8 0 2 1 4 和d a v i c d v b 比较 d 0 c s i si e e e8 0 2 1 4 d a v l c d v b 上行调制方式1 6 q a m 6 4 q a mo p s k 1 6 q a mo p s k 下行调制方式6 4 q a m 2 5 6 q a b l6 4 q a i v l 2 5 6 q a mq p s k 上行信道接入方式 f d m a t d m a c d m af d m a t d m af d m a t d m a q o s u g s r t p s u g s a d c i rc r b v b r a b r 安全 r s a d e sr s a d e s 冲突解决二进制指数后退n 元树算法二进制指数后退 分组格式i p 分组a t m 信元a t m 信元 上行速率3 0 m b p sl o m b p sl o m b p s 下行速率4 0 m b p s3 0 m b p s 1 0 m b d s 2 4 小结 本章对h f c 宽带接入网的发展和架构做了一个简要介绍 指出了在我国发 展h f c 宽带接入网的重要意义 对现有成熟的网络标准做了介绍 并比较了标 准间的异同点 7 电子科技大学硕士论文基予d o c s i s 的h f c 宽带网上行信道关键技术研究 第3 章d o c s i s 协议分析和研究 3 1 d o c s i s 的基本架构 d o c s i s 制订的主要目的是在于让客户端的计算机的数据可以经过c m c a b l em o d e m 电缆调制解调器 连接 至f h f c 有线电视网络上 并经由头端 和外界网络做双向的沟通 图3 1 所示即说明了这种架构 图中c m t s c a b l e m o d e mt e r m i n a t i o ns y s t e m 电缆调制解调器终端系统 即是指头端 圈嚣圈 蹦 髻 图3 1d o c s i s 网络系统架构图 叫用户曹导 设备接口 酗 用户设备 c m 系统的主要功能是在c m t s 和用户之间透明传输数据包 为此d o c s i s 专门制定了r f 接口的通信协议栈 如图3 2 1 5 1 所示 物理层包括与实际物理媒 质有关的子层 p m d 和下行传输汇聚子层 t r a n s m i s s i o nc o n v e r g e n c e 物 理层之上的数据链路层包括媒质接入控制层 m a c 链路安全子层 l i n k s e c u r i t y 逻辑链路控制子层 l l c m a c 层定义的规程和参数使c m 和c m t s 能够相互作用 以便于下行和上行信道能够支持各种业务 链路安全子层提供 i l 包传输所需的安全性 d o c s i s 的规范主要是关于物理层和m a c 层 m a c 层 以上的各层均采用现有网络体系结构的协议 如t c p i p 协议簇 所以高层的协 议和规范并不是d o c s l s 规范关心的问题 它需要解决的是如何在h l c 网络特有 的网络拓扑结构上的通信问题 电子科技大学硕士论文 基 j 二d o c s i s 的h f c 宽带网上行信道关键技术研究 s n m pt f t pd h c p ll u d p p c m p l l ll 斛 l l c d i x l i i n k i l t r a n s m b 3 i o ni g o n v e r g e n e e l f d o w n s t r e a mc t f l l y li l 图3 2r f 接口的d o c s i s 通信协议栈 图3 3 5 1 所示即为c m 和c m t s 拱j 数据传送 需要特别注意的是 m a c 层里 上行和下行信道之间的数据传送和传统的局域网 l a n 不同 因为上行信道是 在共享媒质上进行点到点的传输 而下行信道是在共享媒质上进行点到多电的 传输 图3 3 通过c m 和c m t s 进行数据的传送 电子科技大学硕士论文 基于d o c s i s 的h f c 宽带网上行信道关键技术研冤 下面的章节将对d o c s i s 协议比较重要的几个部分竹 介绍 3 2 物理层 c a t v 网络露来是为传输单向的模拟信号的电视节目丽设计的 原来的单向 的模拟信号的传输频率是从5 0 m h z 到4 5 0 m h z 由于采用h f c 后 传输的频率已经 提高到7 5 0 m h z 或更高 1 g h z 这样就为双向业务的开展提供了便利的条件 d o c s i s 协议中规定 5 m h z 到4 2 m h z 用于上行信道的传输 5 0 m h z 至0 4 5 0 m h z 用于模 拟信号的电视节目传输 4 5 0 m h z 至u 1 0 0 0 m h z 用于下行数字信号的传输 包括数据 业务和数字电视节目等 如图3 4 所示 同时 由于原有的模拟信号是按照每6 m h z 划分为一个频道 所以h f c 宽带接入网的下行方向也按照6 m h z 划分为一个信道 翻3 4h f c 网络频率分配 物理层规定了前向纠错 f e c 采用r s r e e d s o l o m o n 编码 下行信道 采用广播的通信方式 调制方式为6 4 q a m 或者2 5 6 q a m 上行调制方式为 1 6 q a m 或者6 4 q a m 需要特别注意的是 由于h f c 网的特殊性 即多用户共 享上行信道 所以上行信道按 n f d m a 频分多址 被划分成多个子信道 而 每个子信道内采用t d m a 时分多址 的接入方式 这成为了h f c 网络有别与 其他接入网的最大的特点之一 下行比特流被定义为长度为1 8 8 字节的m p e g 数据包 其中包括4 字节的包 头和1 8 4 字节的载荷 m p e g 数据包用束承载d o c s i sm a c 帧 m a c 帧可以从 m p e g 数据包中的任意位置开始 而且几个m a c 帧可以同时包含在一个m p e g 数据包中 电子科技大学硕士论文 基于d o c s i s 的h f c 宽带网上行信道关键技术研究 3 3 m a c 层 d o c s i s 中的m a c 层定义了c m 和c m t s 相互配合的进程和参数 以支持下 行和上行信道的各种业务 由于h f c 网络的拓扑特点 所以开发一个适合的 m a c 层协议就显得尤为重要 同时也相对困难 下面将详细讲解m a c 层的规 定和运作 m a c 子层协议的主要特征包括 在c m t s 控制下的上行带宽分配 上行数据流被分为许多的微小时隙 基于竞争和基于保留的上行数据流传输机会的动态管理 q o s 如数据包分类 动态服务的建立等 在数据链路层提供安全功能扩展 支持较大范围的数据速率 3 3 1 m a c 层的重要定义 1 m a c 域 m a c s u b l a y e r d o m a i n m a c 域是多个上行信道和下行信道的集合 这些信道使用单个m a c 分配 和管理协议 它包括一个c m t s 和多个c m c m t s 必须为所有的上行和下行信 道服务 而一个c m 可以选择多个上行及下行信道 但是一次只能接入一个上 行和一个下行信道 m a c 域定义了该m a c 层的范围和c m t s 对c m 的m a c 地址 的管理 2 服务流 s e r v i c ef l o w s 服务流是d o c s i sm a c 层协议的基础部分 服务流是m a c 层传送的业务 它在c m 和c m t s 之间提供数据包的单向传送 服务流还可以根据q o s 的业务量 参数对业务量进行整形 提出策略和优先级确定 在m a c 域中 c m t s 用服务号s i d s e r v i c ei d 来标识每一个c m s i d 既 是一个设备标识号 同时也是对服务级别的一种管理 而一个服务流号s f i d s e r v i c ef l o wi d 定义了一个c m t s 与c m 之间的单向映射 上行带宽被分配 给s i d c m t s 可以给一个c m 分配一个或多个s f i d 这种映射可以在c m 向 c m t s 注册时协商 或通过 动态服务建立 来实现 s f i d 的长度为3 2 b i t s i d 电子科技大二硕士论文 瓢于d o c s i s 眈h f c 一带嘲上行涪道关键技术 f 宽 的长度为 4 b i t 但有时以1 6 b i t s 的开曩 传输 任何时候 一个c m 都必埙有一个 活动的上行服务流和一个活动的一一亍服务流 它化被称为上行 下彳j 摹本服务 流 而分配了上行基本服务流的s j d 被称为基本s i d 所有的s f i d 在m a c 域内 都是独一无二的 3 上行传输机会间隔时间 微时隙 微时隙 m i n i s l o t 是上行传输机会间隔时间 u p s t r e a m i n t e r v a l s j 的单位 个微时隙等于2 的n 次幂乘以6 2 5 微秒 这里的n 由u c dm e s s a g e 来定义 而 上行传输机会间隔时间包含整数个微时隙 4 m a c 帧 m a cf r a m e m a c 帧如图3 5 5 所示 包含一个m a c 帧头 h e a d e r 和变长数据p d u m a c 帧是c m t s 和c m 在m a c 子层传输数据的基本单元 包括上行及下行 m a c 的帧头唯一标识了m a c 帧的内容 它支持四种不同类型的数据p d u 可 变长度数据包 a t m 数据包 m a c 层专用数据包 如请求 测距 带宽分配信 息等 预留的p d u l p m do v e r 1 0 a d l u p s t r e t l f t i a ch e a o e rd o t 8p d u o p t i o n a l 图3 5m c 帧格式 3 3 2 上行信道带宽分配 由于采用时分复用 所以上行信道是以时隙 s l o t 的形式传输数据的 c m t s 必 须为这些时隙制定相对应的时间 并且要能控制c m 对这些时隙的使 用 举个例子 c m t s 可能会准许一些连续的时隙给一个c m 以让此c m 可以 传输一个数据p d u c m 会依c m r s n n g 的时隙来计算传输的时间 而c m t s 会在它所定义给c m 的相对时间得到c m 所传送的数 据p d u 在上行信道带宽分配机制中 最基本的就是利m a p 如图3 6 j 所示 电子科技大学硕士论文 基于d o c s i s 的h f c 宽带网上行信道关键技术研究 m a p 是 个靠c m t s 利用下行信道传输的m a c 管理讯息 m a n a g e m e n t m e s s a g e 在m a p 中 明确指定了每一个时隙的使用者和用途 比如 描述哪些 时隙是用来让某些特殊使用者 特定的一个或者几个c m 传输数据 哪些时隙 是用来让有上行传输需要的c m 发出传输请求之用 哪些时隙是用来让新加电 的c m 加入网络之用 图3 6m a p 帧格式 m a p 帧中包含了固定长度的帧头和不同数量的信息元素 叫作i e i n f o r m a t i o ne l e m e n t s 每一个i e 定义了一定范围时隙的使用 每一个i e 是由一 个1 4 b i t 的s i d 一个4 b i t 的t y p ec o d e 和一个1 4 b i t 的s t a r t i n go f f s e t 所组成 其中 用来为有需要的c m 发出它的传输请求的i en q 做r e q u e s ti e 所有的c m 必须扫 描m a p 中所有的i e 来获知上行信道是如何分配的 而c m t s 不是直接绘出每个i e 管理的时隙的时问范围 而是通过i e 的s t a r t i n go f f s e t 字段 以m i n i s l o t 为单位 给出一个相对于该m a p 的有效开始时间的一个偏移量 i e 在m a p 中的顺序要严 格遵守各种i e 的s t a r t i n go f f s e t 蜈序 考虑到网络延时 c m t s 需要在m a p 帧的 有效时间 即m a p 帧中的 a l l o cs t a r t t i m e 之前发送 每个m a p 所描述的 m i n i s l o t 个数都可以不相同 一个m a p 最少可以描述一个m i n i s l o t 最多可以 描述2 4 0 个i e 每一个单独的i e 最大可以描述2 5 6 个m i n i s l o t 而它们所描述的 电子科技大学硕士论文 基于d o c s i s 的h f c 宽带网上行信道关键技术础 究 总的m i n i s l o t 不能超过4 0 9 6 个 因此 上行信道带宽分配机制所包含基本的要求总结如下 1 每一个c m 都南一个1 4 b i t 的s i d 以及一个4 8 b i t 的m a c 地址 并且每 一个c m 都可以向c m t s 发出带宽分配申请 2 上行信道可以被切割成由多个时隙所组成的数据流 而时隙的编号是 由c m t s 来管理 时隙的时间关系是由同步 s y n c 数据包来告知给所有的c m 3 当c m 需要带宽时 必须要i h c m t s 提出带宽的要求 4 c m t s 会在a l l o c a t i o nm a p 帧中 定义所有准许被使用的时隙 并以 下行信道来传输这些a l l o c a t i o nm a p 帧 下面以举例详细说明当c m 有数据请求时与c m t s 能j 交互运作 如图3 7 扪 洲t s 寸 l 专i 弋 叶 m 矗p d u r e q s t a a pp d u d a mp d c m 二 乇l 乓 斗 图3 7c m 与c m t s 的运作 1 在t l 时刻 c m t s 实际发送m a p 帧的时刻 c m t s 发送一个m a p 给 c m 这个m a p 的有效开始时间是t 3 在这个m a p 中存在着一个r e q u e s t i e 即 该i e 分配给c m 的发送时刻是t 5 t l 和t 3 之间的吲间差 主要基于以下几点考虑 下行传播时延 以便于c m 能接收到此m a p c m 对m a p 的处理时间 比如c m 对收到的m a p 的解析 并从中得出传 输机会 上行传播时延 以便于c m 发送的酋个上行数据能够在t 3 时刻到达c m t s 2 在t 2 时刻 c m 接收至 j c m t s 发出的m a p 然后c m 对其进行解析并寻找 传输机会 为了降低冲突概率 c m 选择t 6 时刻作为其发送 之所以选择t 6 时刻 则是基于 截短的二进制指数回退算法 将在后面讲解 3 在t 4 时刻 c m 发送出请求帧 在该帧中 包含t c m 为了发送自己的 数据p d u 所需要的m i n i s l o t 个数 为了补偿h f c n 络的延时 使得对t c m t s 来 电子科技大学硕士论文 基于d o c s i s 的h f c 宽带刚上行信道关键技术研究 讲 它所规定的c m 的发送时刻即等于c m t s 的接收时刻 所以c m 必须提前发 送数据包 这个提前量是由初始的定时和测距决定的 这里 c m 就必须在提 前于t 6 时刻的t 4 时刻发送 以使该请求帧能够在t 6 时刻准时达至i j c m t s 4 在t 6 时刻 c m t s 接收到c m 发出的请求帧 然后在下一个m a p 中为 其分配带宽 但是 在实际情况下 c m t s 将不一定能够满足这个c m 的上行信 道带宽申请 c m t s 究竟为哪一个c m 分配带宽 这取决于c m t s 采用的分配算 法 5 在t 7 时刻 c m t s 给它将要为其分配带宽的c m 发送下一个m a p 该 m a p 的有效开始时间是t 9 在这个m a p 中 将包含 个s h o r t l o n gd a t ag r a n t i e 这个i e 规定c m 在t 1 1 时刻开始发送数据p d u 6 在t 8 时刻 c m 接收到c m t s 发给它的带宽分配m a p 于是 它对其 进行解析并寻找授权给它的发送机会 7 在t 1 0 时刻 c m 发送它的数据p d u 之所以选择t 1 0 发送 也是跟步 骤3 中的原因一样 为了补偿上行延时 以便于这个数据p d u 能够在c m t s 规定 的t 11 时刻到达c m